The dictionary learning problem, representing data as a combination of a few atoms, has long stood as a popular method for learning representations in statistics and signal processing. The most popular dictionary learning algorithm alternates between sparse coding and dictionary update steps, and a rich literature has studied its theoretical convergence. The success of dictionary learning relies on access to a ``good'' initial estimate of the dictionary and the ability of the sparse coding step to provide an unbiased estimate of the code. The growing popularity of unrolled sparse coding networks has led to the empirical finding that backpropagation through such networks performs dictionary learning. We offer the first theoretical analysis of these empirical results through PUDLE, a Provable Unrolled Dictionary LEarning method. We provide conditions on the network initialization and data distribution sufficient to recover and preserve the support of the latent sparse representation. Additionally, we address two challenges; first, the vanilla unrolled sparse coding computes a biased code estimate, and second, gradients during backpropagated learning can become unstable. We show approaches to reduce the bias of the code estimate in the forward pass, and that of the dictionary estimate in the backward pass. We propose strategies to resolve the learning instability. This is achieved by tuning network parameters and modifying the loss function. Overall, we highlight the impact of loss, unrolling, and backpropagation on convergence. We complement our findings through synthetic and image denoising experiments. Finally, we demonstrate PUDLE's interpretability, a driving factor in designing deep networks based on iterative optimizations, by building a mathematical relation between network weights, its output, and the training set.


翻译:字典学习问题代表了数据作为少数原子的组合,长期以来,它一直作为一种在统计和信号处理中学习表现的流行方法。最受欢迎的字典学习算法替代了稀有的编码和字典更新步骤,而一个丰富的文献研究了它的理论趋同。字典学习的成功取决于对词典的初步估计的“良好”和稀少的编码步骤提供对代码的公正估计的能力。无动于衷的编码网络越来越受欢迎,导致通过这些网络进行深层反向分析的经验发现词典学习。我们通过PUDLE(一种可变化的不动字典读写字典更新方法)对这些实验结果进行第一次理论分析。我们为网络初始化和数据分发提供了条件,足以恢复和保持对隐性稀薄表述的支持。此外,我们应对了两个挑战:第一,香草不动的编码计算错误计算了偏差的代码估计,第二,在反正向的学习过程中,渐渐渐变的变变变的学习过程可以变得不稳定。我们展示了代码估计在前过往过重的计算中存在的偏差,我们从前的读的计算, 和最后的阅读的网络的校正变校正的校正的校正的校正的校正的校正的校正的校正的校正的校正的校正的校正的校正的校正。

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